昝 良

（1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007）

基于Skyline的衛(wèi)星紅綠立體影像制作方法

昝 良1

（1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007）

提出一種基于Skyline的衛(wèi)星立體影像制作方法，使用Skyline加載地形及融合影像，調(diào)整虛擬相機(jī)的拍攝位置及角度，制作出多角度地形真彩色紅綠立體影像。解決了當(dāng)前衛(wèi)星紅綠立體影像制作中出現(xiàn)的角度單一、幅寬受限、容易漲眼、效果不明顯且丟失顏色信息等問題。

Skyline ；相機(jī)多角度；真彩色；紅綠立體

衛(wèi)星遙感影像可以用來制作DOM、DLG以及DEM等。同時(shí)，可使用衛(wèi)星攜帶的三線陣相機(jī)、高分辨率相機(jī)，通過某2個(gè)視圖的影像制作紅綠立體影像圖。紅綠立體影像能提供良好的三維視覺效果[1]，在測繪作業(yè)上具有重要的價(jià)值。但使用傳統(tǒng)方法制作的紅綠立體影像受制于衛(wèi)星的拍攝角度、相機(jī)屬性等各種客觀條件，制作出的立體影像有幾點(diǎn)無法克服的問題：

1）視角單一。使用2個(gè)視角的相機(jī)對被觀察點(diǎn)進(jìn)行的拍攝，觀察點(diǎn)位于衛(wèi)星的軌道上，處于被觀察場景正上方，視線基本為垂直于地面方向向下，這就使得制作出的紅綠影像視角單一。

2）幅寬受限。衛(wèi)星拍攝的每一景幅寬是固定的，若要制作大于衛(wèi)星幅寬的立體影像，就需要對兩幅影像進(jìn)行拼接，這樣就改變了影像的透視特征，出現(xiàn)變形。因此，使用傳統(tǒng)方法制作的紅綠立體影像場景不能超過衛(wèi)星相機(jī)幅寬。

3）容易漲眼。人眼可以感受到立體效果的范圍在0.72°~6°之間，小于這個(gè)角度就感覺不到立體效果，大于這個(gè)角度會感覺到漲眼。相機(jī)夾角可能會遠(yuǎn)大于6°，不符合人眼觀察事物的習(xí)慣，會出現(xiàn)漲眼等問題。

4）效果不佳。由于某些地區(qū)的地形起伏不明顯，立體效果不佳，無法對地形進(jìn)行夸張。

5）色彩信息丟失。采用傳統(tǒng)方法制作紅綠立體影像，數(shù)據(jù)的主要來源是三線陣相機(jī)。三線陣相機(jī)影像的主要用途是通過立體像對生成DEM，因此相機(jī)采用的是全色相機(jī)。這種方法制作的立體影像是采用2個(gè)視圖的影像分別提取紅綠通道進(jìn)行疊加生成，因此丟失了影像的顏色信息，只具有紋理特征。

Skyline的軟件系統(tǒng)一直在基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化軟件中居于領(lǐng)先地位[1,2]。該軟件系統(tǒng)平臺從影像數(shù)據(jù)生產(chǎn)、編輯到互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布都提供了成熟的解決方案。而且，其開放了所有的API，能夠讓用戶根據(jù)自己的需求編寫程序，定制功能。Skyline家族包括TerraExplorer、TerraBuilder以及TerraGate等，分別用于地形瀏覽，地形影像制作以及數(shù)據(jù)的發(fā)布[3]。Skyline內(nèi)置的攝像機(jī)模塊可從不同的角度對虛擬地形場景進(jìn)行觀察。本文提出一種基于Skyline的衛(wèi)星立體影像制作方法。

1 原 理

1.1 人眼立體視覺原理

人眼之所以能看到立體的景物，是因?yàn)殡p眼各自獨(dú)立地看物體。人的大腦視覺系統(tǒng)將兩幅有輕微不同的圖像進(jìn)行融合，就產(chǎn)生出立體效果[4-6]，如圖1所示。

圖1 人眼觀察立體示意圖

一般成人兩眼瞳孔間距在6.3～7.0 cm之間，以7.0 cm為例，人眼最佳觀看范圍是0.7～5 m，當(dāng)人眼距觀察物體距離為0.7 m時(shí)，目標(biāo)距離與瞳距比為10∶1，此時(shí)雙眼夾角約為6°，產(chǎn)生最大視差，當(dāng)人眼距觀察物體距離為5 m時(shí)，目標(biāo)距離與瞳距比為71∶1，此時(shí)雙眼夾角約為0.72°，為最小視差，物體再遠(yuǎn)，就無法辨認(rèn)遠(yuǎn)近了。

因此，立體攝影需要重現(xiàn)這一規(guī)則，即

式中，D為相機(jī)間距；S為目標(biāo)與相機(jī)中間點(diǎn)的距離。

1.2 拍攝方式

進(jìn)行立體拍攝時(shí)，可使用兩種拍攝方式：Toe-in Method和Correct Method。

Toe-in Method使用較多，進(jìn)行拍攝時(shí)，2個(gè)攝像機(jī)指向同一點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 使用Toe-in Method進(jìn)行拍攝

使用Toe-in Method方法進(jìn)行拍攝，可生成具有立體效果的圖像，但該方法會產(chǎn)生豎直方向上的視差，立體圖邊緣會產(chǎn)生眩暈。使用Correct Method進(jìn)行拍攝時(shí)，投影方式為”parallel axis asymmetric frustum perspective projection”[7]，即平行軸不對稱視椎體透視投影，能夠克服豎直視，如圖3所示。

圖3 使用Correct Method進(jìn)行拍攝

1.3 地球任意兩點(diǎn)距離計(jì)算

設(shè)第一點(diǎn)A的經(jīng)緯度為（LonA，LatA），第二點(diǎn)B的經(jīng)緯度為（LonB，LatB），按照0°經(jīng)線的基準(zhǔn)，東經(jīng)取經(jīng)度的正值（Longitude），西經(jīng)取經(jīng)度的負(fù)值（-Longitude），北緯取90-緯度值（90- Latitude），南緯取90+緯度值（90+Latitude），則經(jīng)過上述處理過后的兩點(diǎn)被計(jì)為（MLonA， MLatA）和（MLonB，MLatB）。根據(jù)三角推導(dǎo)，可以得到計(jì)算兩點(diǎn)距離的公式如下：

式中，C為中間變量；R表示地球半徑6 371.004 km；Distance為地表兩點(diǎn)間距離；Distance和R單位相同，Arccos（）為反余弦函數(shù)。

1.4 計(jì)算經(jīng)緯度

已知一點(diǎn)A（X，Y）經(jīng)緯度及另一點(diǎn)B的距離r與方位角a，計(jì)算B（Lon，Lat）的經(jīng)緯度。

1）同一經(jīng)度上，緯度每隔1°相差111 km；

同一緯度上，經(jīng)度每隔1°相差111*cos(Lat)km，Lat表示該點(diǎn)緯度;

2）兩點(diǎn)在同一經(jīng)度上的緯度距離差為：

兩點(diǎn)在同一緯度上的經(jīng)度距離差為：

式中，r為兩點(diǎn)距離，單位為km；a單位為弧度，以正北方向順時(shí)針開始。

3）在經(jīng)度上的偏移度數(shù)為：

在緯度上偏移度數(shù)為：

則：

可求出B點(diǎn)的經(jīng)緯度Lon、Lat。

1.5 Skyline攝像機(jī)

Skyline中，攝像機(jī)位置參數(shù)有X、Y、Z，用于標(biāo)示相機(jī)在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置，相機(jī)的角度參數(shù)有偏移角（方向）Direction、俯仰角（傾斜）Tilt以及翻滾角Roll，如圖4所示。

圖4 Skyline相機(jī)參數(shù)示意圖

偏移角范圍從0°～360°，0°為北，180°為東，270°為西。俯仰角范圍-90°～90°，90°為從下到上垂直，-90°從上到下垂直。翻滾角范圍-90°～90°，-90°為向左翻滾至垂直，90°向右翻滾至垂直[8]。若角度不在參數(shù)范圍，Skyline會自動增減角度周期，調(diào)整數(shù)值至參數(shù)范圍。

2 多視角衛(wèi)星紅綠立體影像實(shí)現(xiàn)

2.1 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

將高分辨率影像與多光譜影像進(jìn)行融合，使用TerraGate加載DEM模型與融合影像，生成模型，供程序加載。

Skyline相機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示，距離參數(shù)單位m,角度參數(shù)單位°。

表1 Skyline相機(jī)參數(shù)設(shè)置

2.2 控制攝像機(jī)角度和位置關(guān)鍵代碼

//創(chuàng)建位置

IPosition61 cPos = objSGWorld2.Creator. CreatePosition(dXCoord, dYCoord, dAltitude, eAltitudeTypeCode, dYaw, dPitch, dRoll, dDistance);

//跳到該位置

objSGWorld2.Navigate.SetPosition(cPos);

2.3 立體圖拍攝與制作

圖5使用Toe-in Method，平行于水平面進(jìn)行拍攝。

可以看出，最終效果圖中，圖像右上角的位置的山峰紅通道偏右，綠通道偏左，拍攝中心點(diǎn)紅通道偏左，綠通道偏右，相機(jī)焦點(diǎn)在屏幕中心點(diǎn)靠后的位置。通過佩戴紅綠眼鏡，可以觀察到效果圖立體效果明顯，場景層次分明。

圖6使用Correct method，垂直于水平面進(jìn)行拍攝。通過佩戴紅綠眼鏡，可以很觀察到效果圖立體效果明顯，山峰山谷立體效果十分明顯。

圖6 效果圖B

3 結(jié) 語

地學(xué)可視化經(jīng)歷了二維到三維的發(fā)展[9]，本文提出一種利用Skyline提供的攝像機(jī)制作紅綠立體影像的方法。結(jié)果表明，該方法能有效解決傳統(tǒng)的衛(wèi)星紅綠立體影像的視角單一、幅寬受限、容易漲眼、效果不佳以及色彩信息丟失的缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了從不同的角度制作地形紅綠立體影像、幅寬不受限、角度可控制在人眼舒適度可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)通過地形模型的制作，適當(dāng)進(jìn)行地形夸張，增強(qiáng)了立體效果，在附上融合影像時(shí)保留了顏色信息。

由于立體照片拍攝過程中，前景、中景、后景以及背景之間的位置和比例關(guān)系會影響到立體顯示的效果，不當(dāng)?shù)呐臄z會產(chǎn)生難以接受的重影。同時(shí)，由于濾光片不能100%進(jìn)行分光，左眼會看到右眼的部分場景，影像大腦三維再造，導(dǎo)致與實(shí)際不符，使用棱柱將解決這一問題。以上2點(diǎn)將是作者研究的重點(diǎn)。

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[5] 趙穎，雷志勇，雷鳴. 虛擬現(xiàn)實(shí)中立體顯示技術(shù)研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2009,17(10):116-118

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P237.4

B

1672-4623（2015）03-0044-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.016

昝良,碩士，研究方向?yàn)橹笓]自動化與戰(zhàn)場環(huán)境數(shù)字化。

2013-10-11。